一、熒光光纖測(cè)溫技術(shù)原理

熒光光纖測(cè)溫技術(shù)是一種創(chuàng)新的光學(xué)測(cè)溫方法。其基本原理是利用摻雜稀土離子(如鉺、鐿、銪等)的特種光纖材料的熒光特性隨溫度變化而變化的現(xiàn)象。當(dāng)光纖受到激光激勵(lì)時(shí),摻雜離子被激發(fā)至高能級(jí),隨后以熒光形式釋放能量,回到基態(tài)。熒光強(qiáng)度、熒光光譜、熒光壽命等參數(shù)都對(duì)溫度敏感。通過檢測(cè)和分析光纖傳回的熒光信號(hào),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖所處環(huán)境溫度的精確測(cè)量。

熒光光纖測(cè)溫技術(shù)主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式:熒光強(qiáng)度型和熒光壽命型。

1. 熒光強(qiáng)度型溫度傳感器

熒光強(qiáng)度型溫度傳感器利用熒光強(qiáng)度隨溫度變化的特性來測(cè)量溫度。當(dāng)溫度升高時(shí),光纖材料中摻雜離子的熒光效率下降,熒光強(qiáng)度減弱;反之,溫度降低時(shí),熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。通過建立熒光強(qiáng)度與溫度的標(biāo)定關(guān)系,即可根據(jù)熒光強(qiáng)度的變化推算出被測(cè)對(duì)象的溫度。

熒光強(qiáng)度型傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作成本較低。但其容易受到光源功率波動(dòng)、光纖彎曲衰減、光纖接頭污染等因素的影響,導(dǎo)致測(cè)量精度下降。同時(shí),長(zhǎng)期使用過程中,光纖材料的熒光強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生漂移,需要定期校準(zhǔn)。因此,該類型傳感器更適用于溫度變化范圍較小、精度要求不高的場(chǎng)合。

2. 熒光壽命型溫度傳感器

熒光壽命型溫度傳感器則利用熒光壽命隨溫度變化的特性來測(cè)量溫度。熒光壽命是指熒光從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)所需的時(shí)間,它僅與材料的特性和溫度有關(guān),而與激發(fā)光強(qiáng)度、光纖損耗等因素?zé)o關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí),摻雜離子無輻射躍遷幾率增大,熒光壽命縮短;反之,溫度降低時(shí),熒光壽命延長(zhǎng)。通過測(cè)量熒光衰減曲線,擬合計(jì)算出熒光壽命,再根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的熒光壽命-溫度關(guān)系曲線,即可得到被測(cè)對(duì)象的溫度值。

與熒光強(qiáng)度型傳感器相比,熒光壽命型傳感器具有更高的測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。它克服了光源波動(dòng)、光纖彎曲等因素的干擾,且不需要頻繁校準(zhǔn),使用壽命長(zhǎng)。因此,熒光壽命型傳感器得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

二、熒光光纖測(cè)溫技術(shù)的特點(diǎn)

熒光光纖測(cè)溫技術(shù)具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn):

1. 電絕緣性能好

光纖本身是由二氧化硅等絕緣材料制成,具有極高的電阻率,可以在高壓、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下安全使用,不需要額外的電氣隔離和屏蔽措施。這一特性使其特別適合應(yīng)用于高壓開關(guān)柜、變壓器等高壓設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)。

2. 抗電磁干擾能力強(qiáng)

光纖傳輸信號(hào)的載體是光,不受電磁場(chǎng)的影響。即使在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下,如變電站、發(fā)電廠等,光纖測(cè)溫系統(tǒng)也能保持穩(wěn)定工作,不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真、數(shù)據(jù)丟失等問題。

3. 耐高溫、耐腐蝕性能好

石英光纖熔點(diǎn)高達(dá)1600℃以上,耐高溫性能優(yōu)異。同時(shí),石英光纖化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,能夠耐受各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)的侵蝕。在惡劣工況下,熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)的使用壽命大大高于傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻等測(cè)溫元件。

4. 電氣/熱絕緣,本質(zhì)安全

光纖屬于電氣/熱絕緣體,在測(cè)溫過程中,光纖與被測(cè)對(duì)象之間不存在導(dǎo)電回路,不會(huì)產(chǎn)生電火花、熱點(diǎn)等危險(xiǎn),因此具有本質(zhì)安全性。即使光纖破損,也不會(huì)引起短路、放電等事故。這一特性使其能夠應(yīng)用于易燃、易爆環(huán)境。

 

5.體積小、重量輕,易于安裝

光纖的直徑一般為幾百微米,重量輕,柔軟性好,可以方便地嵌入或纏繞在被測(cè)對(duì)象表面,對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和布局的影響很小。同時(shí),光纖傳感器安裝簡(jiǎn)單,不需要復(fù)雜的支架和固定裝置。